一种内燃发动机和用于确定其具体排放量的方法与流程

1.本公开内容涉及被运行为使给定的燃料与空气燃烧从而产生排出气体的内燃发动机，特别地，具有十字头的大型二冲程单流扫气式内燃发动机。


背景技术：

2.具有十字头的大型二冲程涡轮升压单流扫气式内燃发动机例如被用于推进大型远洋船舶或作为发电厂的原动机。不仅由于庞大的尺寸，这些二冲程柴油发动机在结构上也不同于任何其他内燃发动机。
3.这些大型二冲程涡轮升压单流扫气式内燃发动机越来越多地服从于较严格的排放法规。满足这些排放法规的技术发展迅速，例如通过改变成较清洁的燃料、经改进的燃料注入系统以及通过增加排出气体处理系统包括例如选择性催化还原，仅提及几个。针对这些发动机的排放法规将排放水平限定为具体排放水平，即，排放水平被限制成在发动机轴处递送的每千瓦时的排出气体中产生的最大质量[g/kwh]。因此，这些排放限制也被称为制动具体限制。
[0004]
在实践中，该限制以总配量循环排放限制(g/kwh)的形式实施。这样的限制例如是由国际海事组织(imo)实行的。以这种方式被限制的排出气体的成分的示例是氮氧化物(nox)。
[0005]
测量在海运船舶上例如作为原动机运行的大型二冲程内燃发动机的排出气体中的nox浓度，例如以百万分之几(ppm)为单位，是相对简单的。但是，当发动机不在试验台上时，将这种经测量的排出气体中的nox浓度转换为以g/kwh为单位的具体值是令人畏惧的任务。因此，在实践中，大型二冲程内燃发动机在发动机被连接至水力制动器(water brake：水力闸式测功器、水力测功器)的情况下在试验台上被测试排放量。来自水力制动器的扭矩和速度读数提供关于在发动机轴上递送的动力的准确信息。这种信息对于被用作海运船舶中的原动机的发动机是不可用的。
[0006]
因此，目前的大型二冲程发动机是在车间测试中获得认证的，该车间测试证明符合nox法规一次。如果船/发动机可以证明关键的“nox成分”或影响发动机调谐的nox均未被修改，则船舶发动机就符合规定。该模型非常适配已被调谐一次且调谐保持准确的发动机。
[0007]
imo tier iii的nox法规要求nox还原技术，该nox还原技术使得nox排放量大幅低于可能的仅使用发动机调谐的排放量。尚待确定这些nox还原系统是否仅在车间测试中证明一次符合性，还是基于连续测量的nox排放量连续监测和/或闭环控制。
[0008]
然而，不存在简单的官方方法来测量在运行中的具体nox排放量。无法确定运行中的发动机是否满足具体排放量的法律要求是个问题，因为发动机制造商将希望优化发动机运行，并且特别是将希望优化排出气体处理系统，以确保遵守法律限制。然而，将法律限制限定为具体排放量，以及运行期间的测量仅将排放量作为排出气体中的浓度来提供是不可行的。
[0009]
另一复杂的因素是排出气体处理系统，例如在所选择的催化还原过程中还原nox，
需要在容许一定剂量的还原剂(如尿素)进入排出气体。目前，这是以前馈方式进行的，这可能导致从容许的还原剂的最佳水平的显著偏差，由于例如还原剂泵的安装的不同位置以及不同管道以及导致的还原剂的不同的流。因此，如果可以在运行的发动机上监测所选择的催化还原过程的效率，将是一个优点。
[0010]
jph10131789公开了一种使用氧传感器和nox传感器以用于控制空气
‑
燃料比的otto循环发动机。


技术实现要素：

[0011]
本发明的目的是提供克服上述问题或至少减少上述问题的系统。
[0012]
通过本发明的实施方式实现前述以及其他目的。根据本发明的说明书和附图，另外的实施方案是明显的。
[0013]
根据第一方面，提供了一种内燃发动机，该发动机配置成以给定的燃料运行并且在运行期间通过给定的燃料与进入空气的燃烧产生排出气体，
[0014]
该发动机包括：
[0015]
‑
控制器，
[0016]
‑
传感器，该传感器被配置成检测排出气体中的第一排出气体成分的浓度，
[0017]
‑
传感器，该传感器被配置成检测排出气体中参考气体的浓度，该参考气体为氧气或二氧化碳，
[0018]
该控制器被配置成：
[0019]
‑
确定进入空气和排出气体之间的参考气体浓度之差，
[0020]
‑
根据所检测的第一排出气体成分的浓度以及根据所确定的进入空气和排出气体之间的参考气体浓度之差，确定第一排出气体成分的具体排放量。
[0021]
通过测量排出气体中第一排出气体成分的浓度，以及通过确定入口空气和排出气体之间的参考气体浓度之差，以及将该信息与所使用的燃料的类型以及与发动机的(瞬时)燃料效率关联，可以得到由发动机产生的第一排出气体成分每千瓦时的排放量的准确估计。这使得能够在不知道排出流量或完整的排出组分的情况下计算第一排出气体成分的具体排放量。
[0022]
这通过该见解是可能得到，该见解即氧减少量(或二氧化碳增加量)与消耗的能量成正比。对于许多燃料，每燃料加热单元的氧消耗量是几乎相同的，但是发动机优选地被配置成考虑发动机中使用的实际燃料的特性。对于二氧化碳的增加，对所使用的燃料的类型的计算更为敏感，以及如果将二氧化碳用作参考气体，需要确定燃料类型的实际补偿因数。
[0023]
因此，了解燃料特性以及了解氧减少量(或二氧化碳增加量)可以计算出所消耗能量的准确估计。控制器也使用发动机的能量效率作为计算中的因数，以便准确地计算出产生的能量。迄今为止，在一实施方式中，控制器设置有查找表、算法或者发动机的计算机模型，以确定在瞬时运行条件下发动机的能量效率。
[0024]
根据第一方面的可能的实施方案，控制器被配置成根据进入空气的湿度确定进入空气中的参考气体浓度。
[0025]
根据第一方面的可能的实施方案，控制器被配置成确定发动机的瞬时燃料效率，以及其中，控制器被配置成应用所确定的燃料效率作为确定第一排出气体成分的具体排放
量时的因数。
[0026]
根据第一方面的可能的实施方案，其中，控制器优选地设置有查找表和/或算法以及/或者设置有发动机的计算机模型，以基于瞬时运行条件确定瞬时燃料效率。
[0027]
根据第一方面的可能的实施方案，控制器被配置成在确定第一排出气体成分的具体排放量时应用与给定燃料相关联的燃料因数
[0028]
根据第一方面的可能的实施方案，控制器被配置成通过将所检测的所述排出气体中的第一排出气体成分的浓度除以，所确定的进入空气和排出气体之间的参考气体浓度之差与调节因数的乘积，来确定第一排出气体成分的具体排放量。
[0029]
根据第一方面的可能的实施方案，调节因数包括由控制器确定的发动机的瞬时燃料效率。
[0030]
根据第一方面的可能的实施方案，调节因数包括与给定燃料相关联的燃料因数。
[0031]
根据第一方面的可能的实施方案，控制器被配置成通过将所检测的排出气体中的第一排出气体成分的浓度除以，所确定的进入空气和排出气体之间的参考气体浓度之差与由控制器确定的发动机的瞬时燃料效率以及与给定燃料相关联的燃料因数的乘积，来确定第一排出气体成分的具体排放量。
[0032]
根据第一方面的可能的实施方案，第一排出气体成分是以下中之一：co、co2、hc、ch4、nox、sox、nh3、pm、pn或bc。
[0033]
根据第一方面的可能的实施方案，第一排出气体成分是nox，发动机被配置成在控制器(50)的控制下运行，以及控制器被配置成根据确定的具体nox排放量来控制发动机的运行。
[0034]
根据第一方面的可能的实施方案，第一排出气体成分是nox，发动机包括被配置成在控制器的控制下运行的nox处理系统，以及被配置成根据确定的具体nox排放量来控制nox处理系统的运行的控制器。
[0035]
根据第一方面的可能的实施方案，nox处理系统被配置成将还原剂施用至排出气体，并且其中，由控制器(50)根据确定的具体nox排放量来控制向排出气体施用的还原剂的量。
[0036]
根据第二方面，提供了用于确定内燃发动机的第一排出气体成分的具体排放量的方法，该方法包括：
[0037]
‑
检测排出气体中第一排出气体成分的浓度，
[0038]
‑
检测排出气体中参考气体的浓度，该参考气体为氧气或二氧化碳，
[0039]
‑
确定进入空气和排出气体之间的参考气体浓度之差，
[0040]
‑
根据所检测的第一排出气体成分的浓度以及根据所确定的进入空气和排出气体之间的参考气体浓度之差，确定第一排出气体成分的具体排放量。
[0041]
根据第二方面的可能的实施方案，该方法包括根据进入空气的湿度确定进入空气中的参考气体浓度。
[0042]
根据第二方面的可能的实施方案，该方法包括确定发动机的瞬时燃料效率，以及应用所确定的燃料效率作为确定第一排出气体成分的具体排放量时的因数。
[0043]
根据第二方面的可能的实施方案，该方法包括当基于瞬时运行条件确定所述瞬时燃料效率时，应用查找表和/或算法和/或发动机的计算机模型。
[0044]
根据第二方面的可能的实施方案，该方法包括在确定第一排出气体成分的具体排放量时，应用与给定燃料相关联的燃料因数
[0045]
根据第二方面的可能的实施方案，该方法包括通过将所检测的排出气体中的第一排出气体成分的浓度除以，所确定的进入空气和排出气体之间的参考气体浓度之差与调节因数的乘积，来确定第一排出气体成分的具体排放量。
[0046]
根据第二方面的可能的实施方案，调节因数包括由控制器确定的发动机的瞬时燃料效率。
[0047]
根据第二方面的可能的实施方案，调节因数包括与给定燃料相关联的燃料因数。
[0048]
根据第二方面的可能的实施方案，该方法包括通过将所检测的排出气体中的第一排出气体成分的浓度除以，所确定的进入空气和排出气体之间的参考气体浓度之差与由控制器确定的发动机的瞬时燃料效率以及与给定燃料相关联的燃料因数的乘积，来确定第一排出气体成分的具体排放量。
[0049]
根据第二方面的可能的实施方案，第一排出气体成分是以下中之一：co、co2、hc、ch4、nox、sox、nh3、pm、pn或bc。
[0050]
根据以下描述的实施方式，本发明的这些和其他方面将是明显的。
附图说明
[0051]
在本公开内容的以下详细部分中，将参考附图中所示的示例性实施方式更详细地解释本发明，其中：
[0052]
图1是根据示例性实施方式的大型二冲程柴油发动机的高视角正视图，
[0053]
图2是图1的大型二冲程发动机的高视角侧视图，
[0054]
图3是根据图1的大型二冲程发动机的图解性示意图，其示出了用于确定发动机的具体排放量的系统，以及
[0055]
图4是例示出在系统中用于确定发动机的具体排放量的控制器和算法的框图。
具体实施方式
[0056]
在下面的详细描述中，将在示例性实施方式中参照具有十字头的大型二冲程低速涡轮升压内燃发动机来描述内燃发动机。
[0057]
图1和图2是具有曲轴8和十字头9的大型低速涡轮升压的二冲程内燃发动机的高视角视图。发动机可以通过柴油运行(压缩点火)或otto循环运行(定时点火)。
[0058]
图3示出了图1和图2的大型低速涡轮升压二冲程内燃发动机及其吸入和排出系统的图解表示。在该示例性实施方式中，发动机具有直列式的六个缸。大型低速涡轮升压二冲程柴油发动机通常具有直列式的四个至十四个缸，这些缸由通过发动机架11承载的缸架23承载。发动机可以例如用作海运船舶中的主发动机或用作用于使发电站中的发电机运行的固定式发动机。发动机的总输出可以例如在1,000至110,000kw的范围内。
[0059]
在该示例性实施方式中，发动机是二冲程单流型的压缩点火式发动机，具有在缸衬套1的下部区域处的扫气端口18和在缸衬套1的顶部处的中央排出阀4。扫气空气从扫气空气接收器2通向各个缸1的扫气端口18。缸衬套1中的活塞10压缩扫气空气，燃料通过缸盖22中的燃料注入阀31被注入，随后燃烧并生成排出气体。
[0060]
当打开排出阀4时，排出气体流动穿过与缸1相关联的排出管到排出气体接收器3中，并且向上通过第一排出导管19到达涡轮升压器5的涡轮6，排出气体从该涡轮升压器的涡轮流走，穿过第二排出导管经由节能器20到达出口21并进入大气。涡轮6通过轴驱动压缩机7，该压缩机经由空气入口12被供给新鲜空气。压缩机7将经加压的扫气空气递送到通向扫气空气接收器2的扫气空气导管13。导管13中的扫气空气经过中间冷却器14，以用于对扫气空气进行冷却。
[0061]
当涡轮升压器5的压缩机7没有为扫气空气接收器2递送足够的压力时，即处于发动机的低负荷或部分负荷的状况下，经冷却的扫气空气经由通过电机17驱动的辅助鼓风机16传递。在较高的发动机负荷下，涡轮升压器的压缩机7递送足够的经压缩的扫气空气，然后辅助鼓风机16经由止回阀15被旁通。
[0062]
发动机是使用给定的燃料运行的，诸如例如，船舶柴油、重燃料油、(液化)天然气、煤气、生物气、甲醇、乙醇、乙烷、填埋气、甲烷、乙烯或(液化)石油气(非详尽列表)，其是由燃料供应系统30供应的。
[0063]
燃料供应系统35包括所需的泵/鼓风机和燃料阀31，以及是由电子控制单元50经由例如信号线控制的。电子控制单元50接收发动机运行参数，诸如例如通过曲轴位置传感器39接收的曲轴速度和位置，以及通过湿度传感器33——例如通过信号线也被连接至电子控制单元50——接收的发动机室中空气的湿度。这是运行参数的非详尽列表，并且电子控制单元50可以很好地接收其他发动机运行参数，诸如例如，本领域所公知的扫气空气温度和压力、排出气体温度和压力、压缩压力。
[0064]
在排出烟道中布置有传感器40，该传感器被配置成检测在排出气体中作为第一成分的nox浓度，例如以百万分之几为单位。在一实施方式中，传感器40是可商购的nox传感器。
[0065]
在排出烟道中还布置有另一传感器41，该传感器被配置成检测排出气体中的参考气体的浓度，以百万分之几为单位。参考气体可以是氧气或二氧化碳。在本实施方式中，氧将被用作参考气体的主要示例。
[0066]
在本实施方式中，传感器40和41被示出在第二排出导管19中，即在涡轮升压器的低压侧(涡轮6的下游)上，但应该理解的是，传感器40、41也可以布置在涡轮升压器的高压侧，即涡轮6的上游。
[0067]
此外，不必在原位执行检测，并且应当理解的是，可以从排出气体中提取样本并在另一地点进行分析。
[0068]
单个传感器可能能够感测排出气体中的氧浓度以及排出气体中的nox浓度两者，并且因此，传感器40和传感器41可以由一个单个式物理传感器形成。
[0069]
在一实施方式(未示出)中，设置有被配置成检测排出气体的第二成分的存在的另一传感器。注意，第一排出气体成分和第二排出气体成分均不能为氧，因为氧不被认为是排出气体的与作为具体排放量而待被确定的成分有关。
[0070]
来自检测排出气体中的nox浓度的传感器40的信号以及来自检测排放中的参考气体(氧气或二氧化碳)的浓度的传感器41的信号例如通过信号线被传输至电子控制单元50。
[0071]
可以在涡轮升压器5的高压侧或在涡轮升压器5的低压侧设置例如包括scr反应器的排出气体处理系统30。在本实施方式中，排出气体处理系统被示出在涡轮升压器5的高压
侧上，但是应当理解的是，scr反应器也可以布置在涡轮升压器5的低压侧处。scr反应器设置有反应物诸如例如尿素的流。通过电子控制单元50控制被添加至在scr反应器中的排出气体的反应物的量。
[0072]
类似地，发动机控制系统(电子控制单元50)在实施方式中应用egr、燃料中的水、直接水注入、低nox燃料、湿空气和/或发动机性能调节的具体nox反馈控制。
[0073]
图4示出了由电子控制单元50使用以确定发动机的排出气体成分的具体排放量的算法。
[0074]
电子控制单元50被配置成确定进入空气和排出气体之间的氧浓度之差。来自湿度传感器33的信号允许电子控制单元50确定发动机室中空气的湿度以及通过算法来估计发动机室中空气的氧浓度，即进入空气中的氧浓度。该算法反映了氧含量与环境空气的湿度之间的函数关系。干燥空气中的氧含量为20.95％。在一实施方式中，该算法确定入口空气氧浓度[mol％]等于：
[0075]
20.95x(100/(100+入口空气摩尔湿度[mol％]))
[0076]
电子控制单元50还被配置成根据所检测的排出气体中的nox的浓度以及根据所确定的进入空气和排出气体之间的氧浓度之差来确定具体nox排放量。
[0077]
在一实施方式中，电子控制单元50被配置成确定发动机的瞬时燃料效率并且被配置成在确定排出气体成分诸如例如nox的具体排放量时，应用确定的燃料效率作为因数。为了确定瞬时燃料效率，电子控制单元50设置有查找表和/或算法以及/或者设置有发动机的计算机模型，并且根据瞬时运行条件来确定或模拟瞬时燃料效率。
[0078]
在一实施方式中，电子控制单元50被配置成当用于确定具体nox排放量时，应用与该燃料相关联的燃料因数。
[0079]
该燃料因数反映使用每一质量单位的氧的具体燃料的热释放。该因数在本领域中也被称为thornton因数。在大型二冲程内燃发动机中使用燃料因数约为12.8mj/kg氧消耗的许多燃料，诸如柴油、重燃料油、甲烷、甲醇、乙烷、乙醇、丙烷和丁烷。因此，可以使用该燃料因数值，而不管使用上面列出的哪种燃料为发动机提供动力。
[0080]
如果将二氧化碳用作参考气体，则这需要在燃料因数中被反映出来。当基于入口空气和排出气体之间的co2增量确定热释放时，燃料因数是不同的。与co2有关的燃料因数对所用燃料的类型较敏感以及将需要根据所使用的具体燃料进行调整。
[0081]
电子控制单元50被配置成通过将所检测的nox浓度除以，所确定的进入空气和排出气体之间的氧浓度之差与调节因数的乘积，来确定具体nox排放量。调节因数考虑了所用燃料的类型和发动机的燃料效率，以便实现准确估计在发动机的曲轴处递送的能量。如此，调节因数包括由电子控制单元50确定的发动机的瞬时燃料效率以及与被用于运行发动机的燃料相关的燃料因数。
[0082]
具体而言，如图4所示，该算法通过将所检测的nox浓度除以，所确定的进入空气和排出气体之间的氧浓度之差与由算法确定的发动机的瞬时燃料效率以及与用于运行发动机的燃料相关联的燃料因数的乘积，来确定具体nox排放量。该算法返回以g/kwh为单位的具体nox排放量。
[0083]
在一实施方式中，该算法使用修正的o2浓度，其中，针对排出气体与空气中的摩尔数的差修正入口氧含量。在一实施方式中，这是通过引入反映出排出气体和入口空气之间
的化学计量摩尔比的第二燃料常数来完成的。然后，根据实际测得的排出氧浓度，由算法通过化学计量比与纯空气之间的线性插值而瞬时计算实际修正量。然而，应当理解的是，可以以本领域技术人员众所周知的其他方式确定修正的o2浓度。
[0084]
在一实施方式中，该算法使用以下等式：
[0085]
具体的nox[g/kwh]＝测量的nox[ppm]/(燃料因数发动机效率修正的o2浓度差[％])
[0086]
在另一实施方式中，该算法使用以下等式：
[0087]
具体的nox[g/kwh]＝测量的nox[ppm]/(燃料因数发动机效率修正的o2消耗[％])
[0088]
o2消耗[％]"为o2浓度减少百分比。它是作为o2浓度减少百分点、或者作为o2浓度降低％或o2浓度差来应用的，其可以是最大值20.95％(当所有的o2被消耗掉时)。
[0089]
在一实施方式中，燃料因数、或另一修正因数也考虑了在该实施方式中使用的从排放质量流至摩尔浓度的转换。
[0090]
上述实施方式已经描述了使用氧作为参考气体。然而，应理解的是，二氧化碳可以被同等地用作参考气体。当使用二氧化碳作为参考计数器时，应该确定入口空气和排出气体之间二氧化碳的增量，而不是入口空气和排出气体之间氧含量的减少量。
[0091]
在一实施方式中，电子控制单元50被配置成根据确定的具体nox排放量来控制发动机的运行。这可以包括例如根据确定的具体nox排放量来控制燃料注入定时(timing，时机)、排放阀定时以及排出气体处理系统30的运行，优选地保持在法律限制内。对于nox处理系统，该控制涉及根据所确定的具体nox排放量，对施用至排出气体的、用于选择性催化还原的还原剂的量进行控制。
[0092]
实施方式已经参考第一排出气体成分是nox进行了以上描述。然而，应当理解的是，排出气体成分可以是排出气体中存在的任何成分，诸如例如：一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)、碳氢化合物(hc)、甲烷(ch4)、硫的氧化物(sox)(so2+so3)、氨nh3、颗粒物(pm)、颗粒数(pn)或炭黑(bc)，以上为非详尽列表。
[0093]
此外，如上所述，第二排出气体成分也可以被测量并且针对第二排出气体成分的具体排放量可以与第一排出气体成分的具体排放量同时被确定。第二排出气体成分可以是上面列出的任何排出气体成分。
[0094]
已经结合本文的不同实施形式描述了不同方面和实施方案。然而，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的主题中可以理解和实现对所公开的实施方式的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一(an)”不排除多个。单个处理器、控制单元或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。单纯的事实是，某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但这并不表明这些措施的组合不能被用来发挥优势。
[0095]
权利要求中使用的附图标记不应当被解释为限制范围。除非另有说明，附图意在与说明书一起阅读(例如，剖面线、零件的布置、比例、程度等)，并被视为本公开内容的全部书面描述的一部分。